세포핵 Nucleus

세포핵(細胞核; nucleus)은 진핵세포에서 핵막으로 둘러싸인 구획이다. 사람의 세포에서는 유전정보 대부분이 핵 안의 염색체에 놓인다. DNA를 복제하고 RNA로 전사하는 과정이 이 안에서 진행되며, 만들어진 RNA와 필요한 단백질은 핵공을 통해 세포질과 오간다.

핵 안에는 DNA와 단백질이 결합한 염색질, 리보솜 소단위체의 생산에 관여하는 핵소체, 여러 RNA와 단백질이 놓인다. 이들을 둘러싼 핵 내부의 환경을 핵질(nucleoplasm)이라 부른다. 앞 항목의 세포질은 핵 바깥의 영역이므로, 핵질과 세포질액은 서로 다른 구획을 가리킨다.

세포에 따라 핵의 수와 모양도 다르다. 사람의 성숙 적혈구는 발달 과정에서 핵을 내보내고, 골격근의 근육섬유에는 여러 핵이 놓인다. 미토콘드리아에도 자체 DNA가 있어 사람 세포의 DNA 전부를 핵 안에만 있다고 표현하지는 않는다. 이 항목은 핵막이 유지되는 간기의 핵을 출발점으로 삼는다.

핵막(nuclear envelope)은 안쪽 핵막과 바깥쪽 핵막으로 이루어진다. 각각의 막은 지질 이중층이다. 두 막 사이의 공간과 핵 내부의 핵질은 구별되며, 핵공이 있는 자리에서는 안쪽과 바깥쪽 막이 이어진다.

바깥쪽 핵막은 소포체 막과 연속되고, 두 핵막 사이 공간은 소포체 내강과 연결된다. 바깥쪽 핵막의 세포질 쪽 면에는 리보솜이 붙을 수 있다. 따라서 핵 주변의 막을 설명할 때는 핵질, 막 사이 공간, 세포질 쪽 면을 나누어야 반응의 위치가 드러난다.

안쪽 핵막의 핵질 쪽에는 라민(lamin) 단백질들이 이루는 핵라미나(nuclear lamina)가 놓인다. 이 단백질 망은 핵막을 지지하고 핵 주변 염색질의 배치와 연결된다. 핵라미나는 세 번째 지질막이 아니며, 핵막 단백질과 함께 핵의 구조를 유지하는 구성 요소다.

핵공복합체(nuclear pore complex)는 핵막을 가로지르는 수송 경로를 이루는 단백질 복합체다. 작은 분자와 이온은 이 경로를 통해 확산할 수 있고, 큰 단백질이나 RNA 복합체의 이동에는 수송 인자와 선택적인 상호작용이 관여한다. 통과 가능성은 크기뿐 아니라 분자의 형태와 수송 인자 결합에도 영향을 받으므로 단일 크기 기준만으로 모든 화물을 나누지는 않는다.

핵에서 작용하는 단백질도 세포질의 리보솜에서 합성된 뒤 들어온다. 대표적인 핵 내 수송에서는 단백질의 핵위치신호(nuclear localization signal; NLS)를 임포틴(importin) 계열 수송 인자가 인식한다. 반대 방향의 단백질 수송에는 엑스포틴(exportin) 계열이 관여한다. 이 신호와 수송 인자의 결합이 화물 인식에 관여한다.

Ran은 GTP와 GDP가 결합한 상태를 오가는 단백질이다. 대표적 임포틴·엑스포틴 경로에서는 핵 안에 풍부한 Ran-GTP와 세포질 쪽의 가수분해가 수송 인자와 화물의 결합·해제를 조절한다. 이 비대칭성이 핵 안팎의 방향성 유지에 기여한다. mRNA를 비롯한 모든 핵공 수송을 동일한 Ran 의존 경로로 설명할 수는 없다.

염색질(chromatin)은 DNA와 결합 단백질들이 이루는 물질이다. 그 기본 반복 구조인 뉴클레오솜(nucleosome)에서는 DNA가 히스톤 단백질 중심부를 감싼다. 여러 뉴클레오솜과 다른 결합 단백질이 함께 DNA의 배치와 접근성을 조절한다.

간기의 염색체는 분열기의 응축된 형태와 달리 보이지만 염색체를 이루는 DNA가 없어진 것은 아니다. 염색질은 염색체의 구성 물질을 가리키고, 염색체는 유전체를 이루는 개별 DNA 분자와 결합 단백질의 단위를 가리킨다. 염색질이 분열 때 처음 염색체로 생겨난다고 설명하면 두 용어의 관계가 흐려진다.

진정염색질(euchromatin)과 이질염색질(heterochromatin)은 응축 정도와 분자적 상태가 다른 염색질을 구분하는 말이다. 비교적 덜 응축된 영역에서는 전사에 필요한 접근이 유리한 경우가 많고, 이질염색질에는 유전자 발현 억제 및 반복서열의 관리와 연결된 영역이 있다. 밝게 보이는 영역 전체가 전사 중이거나 진한 영역 전체가 기능을 잃었다는 뜻은 아니다.

전사(transcription)에서는 RNA 중합효소가 DNA의 한 가닥을 주형으로 RNA를 합성한다. DNA 복제는 DNA를 복사하는 과정이고, 전사는 유전자의 정보를 RNA로 옮기는 과정이다. 전사 산물에는 단백질 정보를 전달하는 mRNA뿐 아니라 rRNA와 여러 비암호화 RNA도 있다.

사람의 많은 단백질 암호화 유전자에서 만들어지는 전구 mRNA에는 5′ 말단 캡 형성, 스플라이싱, 3′ 말단 절단과 폴리(A) 꼬리 형성이 결합된다. 스플라이싱(splicing)은 인트론을 제거하고 엑손을 잇는 과정이다. 이런 가공은 전사가 끝난 뒤에만 순서대로 일어나는 것이 아니라 전사 중인 RNA에서 시작될 수 있다.

RNA는 여러 단백질과 복합체를 이루며 가공·수송된다. 핵에서 나오는 mRNA는 세포질의 리보솜에서 번역될 수 있고, 가공과 결합 상태는 수송 및 이후 사용에 영향을 준다. 핵 내부의 전사와 세포질의 번역 사이에는 RNA를 만드는 과정과 내보내는 과정이 연결되어 있다.

핵소체(nucleolus)는 핵 안에서 rRNA의 전사와 가공, 리보솜 소단위체 조립이 집중되는 구조다. 별도의 지질막으로 둘러싸이지 않으며 rRNA 유전자가 있는 염색체 영역을 중심으로 형성된다. 핵소체의 수와 크기는 세포와 활동 상태에 따라 달라질 수 있다.

사람 세포에서는 RNA 중합효소 I가 만드는 전구 rRNA로부터 18S·5.8S·28S rRNA가 가공된다. 5S rRNA는 핵소체 바깥에서 RNA 중합효소 III에 의해 전사된 뒤 리보솜 조립에 합류한다. rRNA 전부를 핵소체 안에서 만든다고 요약하면 이 경로가 빠진다.

리보솜 단백질은 세포질에서 만들어져 핵 안으로 들어오고, rRNA와 결합해 소단위체의 조립을 진행한다. 이후 소단위체는 핵공을 통해 세포질로 나가 추가 성숙을 거쳐 번역에 참여한다. 핵소체는 단백질 번역 장소와 구별되며, 번역을 수행할 리보솜을 구성하는 과정에 관여한다.

세포주기의 S기에는 DNA가 복제된다. 각 염색체의 복제된 DNA는 자매염색분체를 이루고 분열 때 나뉠 준비를 한다. DNA의 양이 늘어나는 시점과 딸세포로 분리되는 시점은 서로 다르다. DNA 복제만으로 곧바로 세포 두 개가 생기는 것은 아니다.

사람 세포의 유사분열에서는 염색체가 응축되고 핵소체가 분산되며, 핵막이 해체되어 방추체가 염색체에 접근한다. 이때 핵라미나와 핵공복합체도 재편된다. 간기의 핵처럼 닫힌 경계가 계속 유지된 채 염색체가 이동하는 과정은 아니다.

염색체가 양쪽으로 분리된 뒤에는 각각의 염색체 집합 주변에 핵막이 다시 형성되고, 염색질은 간기 상태로 재편된다. 핵소체도 다시 조직된다. 이 설명은 사람 세포의 열린 유사분열을 기준으로 하며, 모든 진핵생물에서 핵막이 같은 방식으로 해체되는 것은 아니다.

아래는 소 폐동맥 내피세포의 세 채널 형광 영상이다. DAPI로 표지한 DNA의 분포가 파랑으로 보이고, 미세소관은 초록, F-actin은 빨강으로 표시되어 있다. 핵 주변의 세포질 구조와 DNA 신호의 위치를 비교할 수 있다.

이 영상의 파란 경계는 DNA 표지 신호가 차지하는 영역이다. 핵막이나 핵공복합체를 따로 표지한 영상이 아니므로 핵막의 두 층과 개별 핵공을 이 사진에서 동정할 수는 없다. 핵소체 역시 별도 표지 없이 확정 표시하지 않는다. 원영상에 길이 척도가 없어 픽셀 크기를 실제 길이로 환산하지 않는다.

DNA 표지로 보는 핵과 주변 세포질

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전자현미경으로 보는 핵·핵소체·세포질

HeLa 세포를 FIB/SEM으로 관찰한 보충 영상에서 가져온 정지 사진이다. 조밀하게 보이는 핵소체와 주변 핵 영역, 핵 바깥 세포질을 비교할 수 있다. 이 연구는 RNA 중합효소 II를 금 입자로 표지한 뒤 세포를 고정·염색해 관찰했다. 명암은 표본 처리와 전자현미경 관찰에 따른 것이며, 개별 핵공의 구조는 이 사진에서 식별하지 않는다.

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